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JP2018046163A - Semiconductor device and semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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JP2018046163A
JP2018046163A JP2016180034A JP2016180034A JP2018046163A JP 2018046163 A JP2018046163 A JP 2018046163A JP 2016180034 A JP2016180034 A JP 2016180034A JP 2016180034 A JP2016180034 A JP 2016180034A JP 2018046163 A JP2018046163 A JP 2018046163A
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Abstract

【課題】簡易に製造することができるとともに、耐圧を維持したまま、所定のゲート閾値電圧に設定することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】炭化珪素基板10のおもて面側に、トレンチゲート構造のMOSゲートが設けられている。トレンチゲート構造を構成するゲートトレンチ8は、n+型ソース領域6およびp型ベース領域3を貫通してn-型ドリフト領域2に達する。隣り合うゲートトレンチ8間には、ゲートトレンチ8と離して、p型ベース領域3を深さ方向に貫通してn-型ドリフト領域2に達する第1p+型領域4が設けられている。第1p+型領域4は、p++型コンタクト領域7の直下に設けられている。第1p+型領域4の幅w2は、ゲートトレンチ8の幅w1よりも狭い。ゲートトレンチ8の底部には、第2p+型領域5が設けられている。第1,2p+型領域4,5は、炭化珪素エピタキシャル成長層である。【選択図】図1A semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device that can be easily manufactured and can be set to a predetermined gate threshold voltage while maintaining a withstand voltage. A MOS gate having a trench gate structure is provided on the front surface side of a silicon carbide substrate. The gate trench 8 constituting the trench gate structure penetrates the n + type source region 6 and the p type base region 3 and reaches the n − type drift region 2. Between the adjacent gate trenches 8, apart from the gate trench 8, a first p + -type region 4 that penetrates the p-type base region 3 in the depth direction and reaches the n − -type drift region 2 is provided. The first p + type region 4 is provided immediately below the p + + type contact region 7. The width p 2 of the first p + -type region 4 is narrower than the width w 1 of the gate trench 8. A second p + -type region 5 is provided at the bottom of the gate trench 8. First and second p + type regions 4 and 5 are silicon carbide epitaxial growth layers. [Selection] Figure 1

Description

この発明は、半導体装置および半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device.

炭化珪素(SiC)は、シリコン(Si)と比較して、バンドギャップが3倍程度広く、絶縁破壊電界強度が1桁近く大きい、および、電子の飽和ドリフト速度が大きい、という優れた物性を有する。このため、従来よりパワー半導体装置の材料としてシリコンが広く用いられているが、シリコンを用いたパワー半導体装置の性能を超えるためには、パワー半導体装置の材料として炭化珪素を用いることが有効である。   Silicon carbide (SiC) has excellent physical properties such as a band gap that is about three times wider than that of silicon (Si), a breakdown electric field strength that is nearly an order of magnitude higher, and a high saturation drift velocity of electrons. . For this reason, silicon has been widely used as a material for power semiconductor devices, but in order to exceed the performance of power semiconductor devices using silicon, it is effective to use silicon carbide as a material for power semiconductor devices. .

また、従来、スイッチングデバイスである縦型MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor:絶縁ゲート型電界効果トランジスタ)では、半導体基板上に平板状にMOSゲートを設けたプレーナゲート構造と、半導体基板に形成したトレンチ内にMOSゲートを埋め込んだトレンチゲート構造と、の2種類のMOSゲート構造が広く知られている。   Conventionally, a vertical MOSFET (Metal Oxide Field Effect Transistor), which is a switching device, has a planar gate structure in which a MOS gate is provided in a flat plate shape on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate is formed on a semiconductor substrate. Two types of MOS gate structures are widely known: a trench gate structure in which a MOS gate is embedded in a trench.

最近の縦型パワー半導体装置においては、トレンチゲート構造が注目されている。トレンチゲート構造では、チャネルが基板おもて面に垂直に形成されるため、チャネルが基板おもて面に平行に形成されるプレーナゲート構造よりもセル幅を縮小することができる。これによって、単位面積当たりのセル密度を増やすことができ、単位面積当たりの電流密度を増やすことができるため、コスト面で有利になるからである。   In recent vertical power semiconductor devices, a trench gate structure has attracted attention. In the trench gate structure, since the channel is formed perpendicular to the front surface of the substrate, the cell width can be reduced as compared with the planar gate structure in which the channel is formed parallel to the front surface of the substrate. This is because the cell density per unit area can be increased and the current density per unit area can be increased, which is advantageous in terms of cost.

このような理由から、シリコンを用いた縦型MOSFETにおいても、プレーナゲート構造からトレンチゲート構造へと移行してきた経緯がある。このため、炭化珪素を用いた縦型MOSFETにおいても、シリコンを用いた縦型MOSFETと同様に、最終的にはトレンチゲート構造が求められる。   For this reason, vertical MOSFETs using silicon also have a history of shifting from a planar gate structure to a trench gate structure. For this reason, also in the vertical MOSFET using silicon carbide, a trench gate structure is finally required, as in the vertical MOSFET using silicon.

しかしながら、炭化珪素を用いた縦型MOSFETでは、チャネル付近の残留炭素(C)の悪影響や、トレンチゲート構造の加工の難しさから、トレンチゲート構造を採用した場合、シリコンを用いた縦型MOSFETよりもチャネル移動度が大きく低下する。このため、チャネル抵抗が高くなり、シリコンに対する優位性が低下する。チャネル抵抗を低下させるためには、チャネル長を短くしたり、ベース領域の、チャネルが形成されるトレンチ側壁に沿った部分の不純物濃度を低くしてチャネルの極性が反転されやすくするなどの対策を行うことが挙げられる。しかしながら、チャネル長を短くした場合、ドリフト領域とソース領域との距離が近づくため、パンチスルー(ゲート電圧を印加しない状態でドレイン−ソース間に電流が流れる現象)しやすくなり、耐圧(耐電圧)低下が懸念される。   However, in the vertical MOSFET using silicon carbide, due to the adverse effect of residual carbon (C) near the channel and the difficulty in processing the trench gate structure, when the trench gate structure is adopted, the vertical MOSFET using silicon is different from the vertical MOSFET using silicon. However, the channel mobility is greatly reduced. For this reason, channel resistance becomes high and the predominance with respect to silicon falls. In order to reduce the channel resistance, measures such as shortening the channel length or reducing the impurity concentration of the base region along the trench sidewall where the channel is formed to make the channel polarity easier to reverse are taken. To do. However, when the channel length is shortened, the distance between the drift region and the source region becomes closer, so punch-through (a phenomenon in which a current flows between the drain and the source without applying a gate voltage) is likely to occur, and the withstand voltage (withstand voltage) There is concern about the decline.

また、ベース領域の不純物濃度を低くした場合、ゲート電圧印加時にゲート絶縁膜とベース領域との境界からベース領域内に多数キャリアの空乏層(チャネル)が広がりやすくなる。これにより、チャネルにかかる電界強度が弱くなるため、チャネル内の少数キャリア密度が上がりにくく、チャネル内の少数キャリア密度を増やしてチャネルの極性を反転させるために高いゲート電圧を印加する必要があり、ベース領域の不純物濃度を低くすることによって得られるゲート閾値電圧を低くする効果は小さい。すなわち、ゲート閾値電圧を基準にすると、ゲート閾値電圧を上げたい場合はベース領域の不純物濃度を十分に上げる必要があるためチャネル抵抗が上がりすぎ、ゲート閾値電圧を下げたい場合はベース領域の不純物濃度を必要以上に下げることになり、耐圧低下が懸念される。耐圧とは、アバランシェ降伏が起こる電圧である。   In addition, when the impurity concentration in the base region is lowered, a depletion layer (channel) of majority carriers easily spreads from the boundary between the gate insulating film and the base region into the base region when a gate voltage is applied. As a result, the electric field strength applied to the channel is weakened, so the minority carrier density in the channel is difficult to increase, and it is necessary to apply a high gate voltage to increase the minority carrier density in the channel and reverse the polarity of the channel. The effect of lowering the gate threshold voltage obtained by lowering the impurity concentration of the base region is small. That is, when the gate threshold voltage is used as a reference, if the gate threshold voltage is to be increased, the impurity concentration of the base region must be sufficiently increased, so that the channel resistance is excessively increased. Is unnecessarily lowered, and there is a concern about a decrease in pressure resistance. The breakdown voltage is a voltage at which avalanche breakdown occurs.

炭化珪素を用いたトレンチゲート構造の縦型MOSFETとして、トレンチ内壁に沿って電子移動度の大きいn型領域を設けることで、チャネル抵抗を低減させたnチャネル型MOSFETが提案されている(例えば、下記特許文献1(第0032段落、第1図)参照。)。下記特許文献1では、p型ベース領域の、ゲート閾値電圧を決定する因子であるトレンチ側壁に沿った部分をn型化することで、チャネル抵抗を低減している。   As a vertical MOSFET having a trench gate structure using silicon carbide, an n-channel MOSFET having a reduced channel resistance by providing an n-type region having a high electron mobility along the inner wall of the trench has been proposed (for example, (See the following Patent Document 1 (paragraph 0032, FIG. 1).) In Patent Document 1 below, the channel resistance is reduced by making the portion of the p-type base region along the trench sidewall, which is a factor for determining the gate threshold voltage, n-type.

また、炭化珪素を用いたトレンチゲート構造の別の縦型MOSFETとして、半導体材料として炭化珪素を用い、隣り合うトレンチ間に挟まれたp型ベース領域の幅を狭くし、かつ不純物濃度を低くした装置が提案されている(例えば、下記特許文献2(第0033〜0034段落、第1〜3図)参照。)。下記特許文献2では、p型ベース領域の幅を狭くすることで多数キャリアの空乏層の広がりを抑制し、耐圧低下を抑制している。   Further, as another vertical MOSFET having a trench gate structure using silicon carbide, silicon carbide is used as a semiconductor material, the width of the p-type base region sandwiched between adjacent trenches is reduced, and the impurity concentration is reduced. An apparatus has been proposed (see, for example, Patent Document 2 below (paragraphs 0033 to 0034, FIGS. 1 to 3)). In Patent Document 2 below, the width of the p-type base region is narrowed to suppress the spread of the depletion layer of majority carriers and suppress the decrease in breakdown voltage.

特許第4678902号公報Japanese Patent No. 4678902 特開2011−023675号公報JP 2011-023675 A

しかしながら、p型ベース領域の、トレンチ側壁に沿った部分を、低不純物濃度としたり、上記特許文献1のようにn型化した構造をイオン注入で形成する場合、基板おもて面に垂直な方向からのn型不純物のイオン注入では、トレンチ側壁へのn型不純物の注入量が少なかったり、n型不純物の注入深さが浅くなるという問題がある。このため、n型不純物の注入量および注入深さを確保するためには、基板おもて面に対して斜めの方向からトレンチ側壁にn型不純物をイオン注入する必要があるが、トレンチの側壁ごとに注入角度を変えてイオン注入を行う必要があるため、イオン注入回数が増えるという新たな問題が生じる。   However, when a portion of the p-type base region along the sidewall of the trench is made to have a low impurity concentration or an n-type structure as in Patent Document 1 is formed by ion implantation, it is perpendicular to the front surface of the substrate. In the ion implantation of n-type impurities from the direction, there are problems that the amount of n-type impurities implanted into the trench sidewall is small and the depth of implantation of the n-type impurities is small. Therefore, in order to ensure the implantation amount and implantation depth of the n-type impurity, it is necessary to ion-implant the n-type impurity into the trench sidewall from a direction oblique to the front surface of the substrate. Since it is necessary to perform ion implantation at every implantation angle, a new problem of increasing the number of ion implantations occurs.

また、上記特許文献1では、トレンチ底部に沿ってn型領域が設けられていることで、トレンチ底部におけるn型不純物濃度が高くなる。このため、MOSFETのオフ時にトレンチ底部への電界集中が強くなり、トレンチ底部に沿った部分でゲート絶縁膜の絶縁破壊による耐圧低下の虞がある。上記特許文献2では、トレンチ間隔を狭くする部分で、MOSゲート構造の形成が困難である。また、トレンチ底部がベース領域とドリフト領域との間のpn接合よりもドレイン側に位置するため、MOSFETのオフ時にトレンチ底部への電界集中が強くなり、トレンチ底部においてゲート絶縁膜の絶縁破壊による耐圧低下の虞がある。   Moreover, in the said patent document 1, the n-type impurity density | concentration in a trench bottom part becomes high because an n-type area | region is provided along the trench bottom part. For this reason, when the MOSFET is turned off, the electric field concentration at the bottom of the trench becomes strong, and there is a possibility that the breakdown voltage is reduced due to the dielectric breakdown of the gate insulating film at the portion along the bottom of the trench. In Patent Document 2, it is difficult to form a MOS gate structure at a portion where the trench interval is narrowed. In addition, since the bottom of the trench is located on the drain side of the pn junction between the base region and the drift region, the electric field concentration at the bottom of the trench becomes strong when the MOSFET is turned off, and the breakdown voltage due to the dielectric breakdown of the gate insulating film at the bottom of the trench There is a risk of decline.

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、簡易に製造することができるとともに、耐圧を維持したまま、所定のゲート閾値電圧に設定することができる半導体装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention eliminates the problems caused by the prior art described above, and can be easily manufactured and can be set to a predetermined gate threshold voltage while maintaining a withstand voltage, and a method of manufacturing the semiconductor device The purpose is to provide.

上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置は、次の特徴を有する。シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板のおもて面に、第1導電型の第1半導体層が設けられている。前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に、第2導電型の第2半導体層が設けられている。前記第2半導体層の内部に、第1導電型の第1半導体領域が選択的に設けられている。トレンチは、前記第1半導体領域および前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する。前記トレンチの内部に、ゲート絶縁膜を介してゲート電極が設けられている。前記トレンチと離して、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する第2導電型の第2半導体領域が設けられている。前記第2半導体領域は、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い。前記第1半導体層の内部に、前記第2半導体層および前記第2半導体領域と離して、第2導電型の第3半導体領域が設けられている。前記第3半導体領域は、前記トレンチの底部を覆う。前記第3半導体領域は、前記第2半導体層よりも不純物濃度が高い。第1電極は、前記第1半導体領域および前記第2半導体層に電気的に接続されている。第2電極は、前記半導体基板の裏面に設けられている。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device according to the present invention has the following characteristics. A first semiconductor layer of the first conductivity type is provided on the front surface of a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon. A second semiconductor layer of the second conductivity type is provided on the surface of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side. A first conductivity type first semiconductor region is selectively provided in the second semiconductor layer. The trench penetrates the first semiconductor region and the second semiconductor layer in the depth direction and reaches the first semiconductor layer. A gate electrode is provided inside the trench via a gate insulating film. A second semiconductor region of a second conductivity type that penetrates the second semiconductor layer in the depth direction and reaches the first semiconductor layer is provided apart from the trench. The second semiconductor region has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer. A third semiconductor region of a second conductivity type is provided inside the first semiconductor layer, separated from the second semiconductor layer and the second semiconductor region. The third semiconductor region covers the bottom of the trench. The third semiconductor region has an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer. The first electrode is electrically connected to the first semiconductor region and the second semiconductor layer. The second electrode is provided on the back surface of the semiconductor substrate.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域の幅は、前記トレンチの幅よりも狭いことを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention is characterized in that, in the above-described invention, the width of the second semiconductor region is narrower than the width of the trench.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域の前記第2電極側の端部は、前記トレンチの底部よりも前記第2電極側に位置することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the end of the second semiconductor region on the second electrode side is located closer to the second electrode than the bottom of the trench in the above-described invention. .

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた第2導電型の第4半導体領域をさらに備える。前記第4半導体領域は、前記第2半導体領域よりも不純物濃度が高い。前記第1電極は、前記第1半導体領域および前記第4半導体領域に接する。前記第2半導体領域は、前記第4半導体領域の前記第2電極側に設けられ、前記第4半導体領域に接することを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention further includes a second conductivity type fourth semiconductor region selectively provided inside the second semiconductor layer in the above-described invention. The fourth semiconductor region has a higher impurity concentration than the second semiconductor region. The first electrode is in contact with the first semiconductor region and the fourth semiconductor region. The second semiconductor region is provided on the second electrode side of the fourth semiconductor region and is in contact with the fourth semiconductor region.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第1半導体層の内部において、前記第2半導体領域の前記第2電極側に設けられた第2導電型の第5半導体領域をさらに備えることを特徴とする。   The semiconductor device according to the present invention may further include a second conductivity type fifth semiconductor region provided on the second electrode side of the second semiconductor region inside the first semiconductor layer. It is characterized by providing.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第5半導体領域の幅は、前記第2半導体領域の幅よりも広いことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the width of the fifth semiconductor region is wider than the width of the second semiconductor region.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第5半導体領域は、前記第2半導体領域の前記第2電極側の端部を覆うことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the fifth semiconductor region covers an end portion of the second semiconductor region on the second electrode side.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記トレンチは、前記半導体基板のおもて面に平行に延びる直線状のレイアウトに設けられている。前記第2半導体領域および前記第5半導体領域は、前記トレンチが直線状に延びる方向に平行な直線状のレイアウトに設けられていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the trench is provided in a linear layout extending in parallel with the front surface of the semiconductor substrate. The second semiconductor region and the fifth semiconductor region are provided in a linear layout parallel to a direction in which the trench extends linearly.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記トレンチは、前記半導体基板のおもて面に平行に延びる直線状のレイアウトに設けられている。前記第2半導体領域は、前記トレンチが直線状に延びる方向に平行な直線状のレイアウトに設けられている。前記第5半導体領域は、前記第2半導体領域が直線状に延びる方向に所定の間隔で複数配置されていることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the trench is provided in a linear layout extending in parallel with the front surface of the semiconductor substrate. The second semiconductor region is provided in a linear layout parallel to a direction in which the trench extends linearly. A plurality of the fifth semiconductor regions are arranged at a predetermined interval in a direction in which the second semiconductor regions extend linearly.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第5半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the impurity concentration of the fifth semiconductor region is higher than the impurity concentration of the second semiconductor region.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体領域は、エピタキシャル成長層であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the second semiconductor region is an epitaxially grown layer.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第3半導体領域は、エピタキシャル成長層であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention as set forth in the invention described above, the third semiconductor region is an epitaxial growth layer.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は炭化珪素であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide in the above-described invention.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の面は(0001)面であり、前記トレンチの側壁は{1−100}面であることを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, a surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer side is a (0001) surface, and a side wall of the trench is {1 It is a -100} plane.

また、この発明にかかる半導体装置は、上述した発明において、前記第2半導体層は、最も不純物濃度の高い位置から深さ方向に高低差をもつガウス分布状の第2導電型不純物濃度プロファイルを有することを特徴とする。   In the semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, the second semiconductor layer has a Gaussian distribution type second conductivity type impurity concentration profile having a height difference in a depth direction from a position having the highest impurity concentration. It is characterized by that.

また、上述した課題を解決し、本発明の目的を達成するため、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、次の特徴を有する。まず、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板のおもて面に、第1導電型の第1半導体層をエピタキシャル成長させる第1工程を行う。次に、前記第1半導体層の上に、第2導電型の第2半導体層をエピタキシャル成長させる第2工程を行う。次に、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する第1トレンチと、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する、前記第1トレンチよりも幅の狭い第2トレンチと、を互いに離して形成する第3工程を行う。次に、前記第2半導体層の表面および前記第1トレンチの内壁に沿って、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第3半導体層をエピタキシャル成長させるとともに、前記第2トレンチの内部を前記第3半導体層で完全に埋める第4工程を行う。次に、前記第3半導体層の、前記第1トレンチの側壁の部分を除去して、前記第1トレンチの側壁に前記第1半導体層および前記第2半導体層を露出させる第5工程を行う。次に、隣り合う前記第1トレンチ間に残る前記第3半導体層に、前記第1トレンチの側壁に露出し、かつ前記第2半導体層に達する第1導電型の第1半導体領域を選択的に形成する第6工程を行う。次に、前記第1トレンチの底部に残る前記第3半導体層の表面および前記第1トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を形成する第7工程を行う。次に、前記第1トレンチの内部において、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第8工程を行う。次に、前記第1半導体領域および前記第3半導体層に電気的に接続する第1電極を形成する第9工程を行う。次に、前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第10工程を行う。   In order to solve the above-described problems and achieve the object of the present invention, a semiconductor device manufacturing method according to the present invention has the following characteristics. First, a first step of epitaxially growing a first semiconductor layer of the first conductivity type on the front surface of a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon is performed. Next, a second step of epitaxially growing a second conductivity type second semiconductor layer on the first semiconductor layer is performed. Next, a first trench that penetrates the second semiconductor layer in the depth direction and reaches the first semiconductor layer, and a depth that penetrates the second semiconductor layer and reaches the first semiconductor layer, A third step of forming a second trench having a width smaller than that of the first trench apart from each other is performed. Next, a second conductive type third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer is epitaxially grown along the surface of the second semiconductor layer and the inner wall of the first trench, and the second trench is formed. A fourth step of completely filling the inside with the third semiconductor layer is performed. Next, a fifth step of removing the portion of the third semiconductor layer on the side wall of the first trench and exposing the first semiconductor layer and the second semiconductor layer on the side wall of the first trench is performed. Next, the first semiconductor region of the first conductivity type exposed to the side wall of the first trench and reaching the second semiconductor layer is selectively formed on the third semiconductor layer remaining between the adjacent first trenches. A sixth step of forming is performed. Next, a seventh step of forming a gate insulating film along the surface of the third semiconductor layer remaining at the bottom of the first trench and the side wall of the first trench is performed. Next, an eighth step of forming a gate electrode on the gate insulating film is performed inside the first trench. Next, a ninth step of forming a first electrode electrically connected to the first semiconductor region and the third semiconductor layer is performed. Next, a tenth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate is performed.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第3工程では、前記半導体基板のおもて面よりも酸化速度の早い結晶面を側壁とする前記第1トレンチを形成する。前記第5工程では、前記第3半導体層の、前記第1トレンチの側壁の部分を酸化して酸化膜を形成し、当該酸化膜を除去することで前記第1トレンチの側壁に前記第1半導体層および前記第2半導体層を露出させることを特徴とする。   In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, in the above-described invention, in the third step, the first trench having a crystal plane whose oxidation rate is faster than a front surface of the semiconductor substrate as a side wall is formed. To do. In the fifth step, an oxide film is formed by oxidizing a portion of the third semiconductor layer on the side wall of the first trench, and the oxide film is removed to remove the oxide film on the side wall of the first trench. The layer and the second semiconductor layer are exposed.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、(0001)面をおもて面とする前記半導体基板を用いる。前記第3工程では、{1−100}面を側壁とする前記第1トレンチを形成することを特徴とする。   The method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention uses the semiconductor substrate having the (0001) plane as the front surface in the above-described invention. In the third step, the first trench having a {1-100} plane as a side wall is formed.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第5工程の後、前記第7工程の前に、隣り合う前記第1トレンチ間に残る前記第3半導体層に、前記第2半導体層に達する、第2導電型の第4半導体領域を選択的に形成する第11工程を行う。前記第11工程では、前記第3半導体層の、前記第2トレンチに深さ方向に対向する位置に前記第4半導体領域を形成する。前記第9工程では、前記第1半導体領域および前記第4半導体領域に接する前記第1電極を形成することを特徴とする。   In addition, in the above-described invention, the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the third semiconductor layer remaining between the adjacent first trenches after the fifth step and before the seventh step. An eleventh step of selectively forming a second conductivity type fourth semiconductor region reaching the second semiconductor layer is performed. In the eleventh step, the fourth semiconductor region is formed in the third semiconductor layer at a position facing the second trench in the depth direction. In the ninth step, the first electrode in contact with the first semiconductor region and the fourth semiconductor region is formed.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第1工程の後、前記第2工程の前に、前記第1半導体層の表面層に、第2導電型の第5半導体領域を選択的に形成する第12工程を行う。そして、前記第3工程では、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第5半導体領域に達する前記第2トレンチを形成することを特徴とする。   According to the semiconductor device manufacturing method of the present invention, in the above-described invention, the second conductivity type fifth layer is formed on the surface layer of the first semiconductor layer after the first step and before the second step. A twelfth step of selectively forming the semiconductor region is performed. In the third step, the second trench reaching the fifth semiconductor region through the second semiconductor layer in the depth direction is formed.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、前記第5半導体領域の幅は、前記第2トレンチの幅よりも広いことを特徴とする。   In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention as set forth in the invention described above, the width of the fifth semiconductor region is wider than the width of the second trench.

また、この発明にかかる半導体装置の製造方法は、上述した発明において、シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は炭化珪素であることを特徴とする。   In the semiconductor device manufacturing method according to the present invention, the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide in the above-described invention.

上述した発明によれば、ゲート電圧印加時にチャネルの伸びが抑制されるため、ベース領域(第2半導体層)の不純物濃度に応じた所定のゲート閾値電圧を適宜設定することができる。また、ゲートトレンチ間の第2半導体領域と、ゲートトレンチ底部の第3半導体領域と、で、ゲートトレンチ底部の電界を緩和させることができる。また、上述した発明によれば、イオン注入を用いずに、結晶性の高い第2,3半導体領域を容易に形成することができる。   According to the above-described invention, since the extension of the channel is suppressed when the gate voltage is applied, a predetermined gate threshold voltage corresponding to the impurity concentration of the base region (second semiconductor layer) can be appropriately set. Further, the electric field at the bottom of the gate trench can be relaxed by the second semiconductor region between the gate trenches and the third semiconductor region at the bottom of the gate trench. Moreover, according to the above-described invention, the second and third semiconductor regions having high crystallinity can be easily formed without using ion implantation.

本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法によれば、簡易に製造することができるとともに、耐圧を維持したまま、所定のゲート閾値電圧に設定することができるという効果を奏する。   According to the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device of the present invention, it is possible to easily manufacture the semiconductor device and to set the predetermined gate threshold voltage while maintaining the withstand voltage.

実施の形態1にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。1 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view showing a state in the middle of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment; 実施の形態2にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。6 is a cross-sectional view showing a structure of a semiconductor device according to a second embodiment; FIG.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。本明細書および添付図面においては、nまたはpを冠記した層や領域では、それぞれ電子または正孔が多数キャリアであることを意味する。また、nやpに付す+および−は、それぞれそれが付されていない層や領域よりも高不純物濃度および低不純物濃度であることを意味する。なお、以下の実施の形態の説明および添付図面において、同様の構成には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本明細書では、ミラー指数の表記において、“−”はその直後の指数につくバーを意味しており、指数の前に“−”を付けることで負の指数を表している。   Exemplary embodiments of a semiconductor device and a method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings. In the present specification and the accompanying drawings, it means that electrons or holes are majority carriers in layers and regions with n or p, respectively. Further, + and − attached to n and p mean that the impurity concentration is higher and lower than that of the layer or region where it is not attached. Note that, in the following description of the embodiments and the accompanying drawings, the same reference numerals are given to the same components, and duplicate descriptions are omitted. In the present specification, in the Miller index notation, “−” means a bar attached to the index immediately after that, and “−” is added before the index to indicate a negative index.

(実施の形態1)
本発明にかかる半導体装置は、半導体材料としてシリコン(Si)よりもバンドギャップの広い半導体(以下、ワイドバンドギャップ半導体とする)を用いて構成される。ここでは、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素(SiC)を用いて作製(製造)されたエンハンスメント(ノーマリオフ)型の縦型MOSFET(以下、SiC−縦型MOSFETとする)を例に、図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置の構造について説明する。図1は、実施の形態1にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。
(Embodiment 1)
The semiconductor device according to the present invention is configured using a semiconductor having a wider band gap than silicon (Si) (hereinafter referred to as a wide band gap semiconductor) as a semiconductor material. Here, an enhancement (normally-off) type vertical MOSFET (hereinafter referred to as SiC-vertical MOSFET) manufactured (manufactured) using silicon carbide (SiC) as a wide band gap semiconductor is shown in FIG. 1 as an example. The structure of the semiconductor device according to the first embodiment will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating the structure of the semiconductor device according to the first embodiment.

図1に示す実施の形態1にかかる半導体装置は、炭化珪素基板(半導体チップ)10のおもて面側にトレンチゲート構造のMOSゲートを備えたSiC−縦型MOSFETである。炭化珪素基板10は、n+型出発基板(半導体基板)1のおもて面上に所定の導電型および不純物濃度を有する各炭化珪素層(第1〜3半導体層)21〜23を順にエピタキシャル成長させてなるエピタキシャル基板である。n+型出発基板1は、n+型ドレイン領域である。n-型炭化珪素層21は、n-型ドリフト領域2である。p型炭化珪素層22は、p型ベース領域3である。 The semiconductor device according to the first embodiment shown in FIG. 1 is a SiC-vertical MOSFET having a trench gate structure MOS gate on the front surface side of a silicon carbide substrate (semiconductor chip) 10. Silicon carbide substrate 10 epitaxially grows silicon carbide layers (first to third semiconductor layers) 21 to 23 having predetermined conductivity type and impurity concentration on the front surface of n + type starting substrate (semiconductor substrate) 1 in order. This is an epitaxial substrate. The n + type starting substrate 1 is an n + type drain region. N type silicon carbide layer 21 is n type drift region 2. The p-type silicon carbide layer 22 is the p-type base region 3.

図1には、活性領域の2つの単位セル(素子の機能単位)20を示し、当該単位セルに隣接する他の単位セルや、活性領域の周囲を囲むエッジ終端領域を図示省略する。活性領域は、オン状態のときに電流が流れる領域である。エッジ終端領域は、活性領域とチップ端部との間の領域であり、炭化珪素基板10のおもて面(以下、基板おもて面とする)側の電界を緩和して耐圧を保持する。エッジ終端領域には、ガードリング、接合終端(JTE:Junction Termination Extension)構造、リサーフ、およびフィールドプレート等の耐圧構造が配置される。   FIG. 1 shows two unit cells (functional unit of an element) 20 in the active region, and other unit cells adjacent to the unit cell and an edge termination region surrounding the active region are not shown. The active region is a region through which current flows in the on state. The edge termination region is a region between the active region and the end of the chip, and relaxes the electric field on the front surface of the silicon carbide substrate 10 (hereinafter referred to as the substrate front surface) to maintain a withstand voltage. . In the edge termination region, a guard ring, a junction termination (JTE) structure, a RESURF, and a field voltage structure such as a field plate are arranged.

活性領域において、基板おもて面(炭化珪素層23側の面)側には、単位セル20のMOSゲートが設けられている。単位セル20のMOSゲートは、p型ベース領域3、第1,2p+型領域(第2,3半導体領域)4,5、n+型ソース領域(第1半導体領域)6、p++型コンタクト領域(第4半導体領域)7、トレンチ(以下、ゲートトレンチとする)8、ゲート絶縁膜9およびゲート電極11で構成される。p型ベース領域3は、上述したようにn-型炭化珪素層21上にエピタキシャル成長されたp型炭化珪素層22である。p型ベース領域3には、p型不純物のイオン注入により形成された深さ方向にガウス分布状(p型不純物濃度が最大となる深さ位置から深さ方向に高低差を有する)のp型不純物濃度プロファイルを有していてもよい。 In the active region, the MOS gate of the unit cell 20 is provided on the substrate front surface (surface on the silicon carbide layer 23 side) side. The MOS gate of the unit cell 20 includes a p-type base region 3, first and second p + -type regions (second and third semiconductor regions) 4 and 5, an n + -type source region (first semiconductor region) 6, and a p ++ type. A contact region (fourth semiconductor region) 7, a trench (hereinafter referred to as a gate trench) 8, a gate insulating film 9 and a gate electrode 11 are formed. P type base region 3 is p type silicon carbide layer 22 epitaxially grown on n type silicon carbide layer 21 as described above. The p-type base region 3 has a p-type Gaussian distribution in the depth direction formed by ion implantation of p-type impurities (having a height difference from the depth position where the p-type impurity concentration is maximum). It may have an impurity concentration profile.

p型炭化珪素層22上には、後述するように第1,2p+型領域4,5を形成するためにp+型炭化珪素層23がエピタキシャル成長される。このp+型炭化珪素層23の内部に、n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7がそれぞれ選択的に設けられている。n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7は、p+型炭化珪素層23を深さ方向(基板おもて面から基板裏面に向かう方向:縦方向)に貫通してp型炭化珪素層22に達する。n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7は、互いに接する。p++型コンタクト領域7は、ソース電極(第1電極)13とのコンタクト抵抗を低減する機能を有する。 A p + type silicon carbide layer 23 is epitaxially grown on p type silicon carbide layer 22 to form first and second p + type regions 4 and 5 as will be described later. Inside this p + type silicon carbide layer 23, an n + type source region 6 and a p ++ type contact region 7 are selectively provided. The n + -type source region 6 and the p ++ -type contact region 7 penetrate the p + -type silicon carbide layer 23 in the depth direction (direction from the substrate front surface to the substrate back surface: vertical direction) and p-type carbonization. The silicon layer 22 is reached. The n + type source region 6 and the p ++ type contact region 7 are in contact with each other. The p ++ type contact region 7 has a function of reducing contact resistance with the source electrode (first electrode) 13.

ゲートトレンチ8は、n+型ソース領域6およびp型ベース領域3を貫通してn-型ドリフト領域2に達する。ゲートトレンチ8間の部分(メサ部)の中心間が1つの単位セル20である。ゲート絶縁膜9は、ゲートトレンチ8の内壁に沿って設けられている。ゲート電極11は、ゲートトレンチ8の内部において、ゲート絶縁膜9上に設けられている。ゲート電極11は、ゲートトレンチ8の側壁のゲート絶縁膜9を挟んでn+型ソース領域6、p型ベース領域3およびn-型ドリフト領域2に対向する。ゲート電極11は、ゲート絶縁膜9によりn-型ドリフト領域2、p型ベース領域3、第2p+型領域5およびn+型ソース領域6と電気的に絶縁されている。ゲート電極11の基板おもて面側の端部は、ゲートトレンチ8の外側に突出していてもよい。 Gate trench 8 passes through n + type source region 6 and p type base region 3 and reaches n type drift region 2. One unit cell 20 is located between the centers of the portions (mesa portions) between the gate trenches 8. The gate insulating film 9 is provided along the inner wall of the gate trench 8. The gate electrode 11 is provided on the gate insulating film 9 inside the gate trench 8. The gate electrode 11 faces the n + -type source region 6, the p-type base region 3 and the n -type drift region 2 across the gate insulating film 9 on the side wall of the gate trench 8. Gate electrode 11 is electrically insulated from n type drift region 2, p type base region 3, second p + type region 5 and n + type source region 6 by gate insulating film 9. An end of the gate electrode 11 on the substrate front surface side may protrude outside the gate trench 8.

ゲート電極11(すなわちゲートトレンチ8)は、例えば、基板おもて面に平行に延びるストライプ(直線)状の平面レイアウトに配置されている。この場合、隣り合うゲートトレンチ8間の各領域(p型ベース領域3、第1p+型領域4、n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7)や、ゲートトレンチ8の直下(ドレイン側)の第2p+型領域5も、ゲート電極11がストライプ状に延びる方向(図1の奥行き方向)に平行な直線状の平面レイアウトに配置される。平面レイアウトとは、炭化珪素基板10のおもて面側から見た各部の平面形状および配置構成である。 The gate electrode 11 (that is, the gate trench 8) is arranged in a stripe (straight line) planar layout extending in parallel to the front surface of the substrate, for example. In this case, each region between the adjacent gate trenches 8 (p-type base region 3, first p + -type region 4, n + -type source region 6 and p ++ -type contact region 7) or directly under the gate trench 8 (drain) The second p + -type region 5 on the side) is also arranged in a linear planar layout parallel to the direction in which the gate electrodes 11 extend in a stripe shape (the depth direction in FIG. 1). The planar layout is a planar shape and arrangement configuration of each part viewed from the front surface side of the silicon carbide substrate 10.

第1p+型領域4は、基板おもて面側から深さ方向にp型炭化珪素層22を貫通してn-型ドリフト領域2に達する。また、第1p+型領域4は、p++型コンタクト領域7の直下に設けられている。第1p+型領域4は、p++型コンタクト領域7に接していることが好ましい。第1p+型領域4は、n+型ソース領域6と接していてもよい。また、第1p+型領域4は、ゲートトレンチ8と離して配置される。第1p+型領域4は、隣り合うゲートトレンチ8間の例えば中心付近に配置されてもよい。第1p+型領域4の幅w2は、ゲートトレンチ8の幅w1よりも狭い(w2<w1)。幅w1,w2とは、ゲートトレンチ8がストライプ状に伸びる方向と直交する方向(短手方向)の幅である(セル幅、後述する幅w3,w4も同様)。 First p + -type region 4 penetrates p-type silicon carbide layer 22 in the depth direction from the substrate front surface side and reaches n -type drift region 2. The first p + type region 4 is provided immediately below the p ++ type contact region 7. The first p + type region 4 is preferably in contact with the p ++ type contact region 7. The first p + type region 4 may be in contact with the n + type source region 6. Further, the first p + -type region 4 is arranged away from the gate trench 8. The first p + -type region 4 may be disposed, for example, near the center between adjacent gate trenches 8. The width w2 of the first p + -type region 4 is narrower than the width w1 of the gate trench 8 (w2 <w1). The widths w1 and w2 are the widths in the direction (short direction) perpendicular to the direction in which the gate trenches 8 extend in a stripe shape (the same applies to the cell width and widths w3 and w4 described later).

第1p+型領域4のドレイン側の端部は、ゲートトレンチ8の底部よりもドレイン側に位置していればよく、例えば第2p+型領域5のドレイン側の端部よりもドレイン側に位置していてもよい。図1には、第1,2p+型領域4,5のドレイン側の端部の深さ位置が同じ場合を示す。第1p+型領域4のドレイン側の端部がゲートトレンチ8の底部よりもドレイン側に位置していることで、MOSFETのオフ時に、ゲートトレンチ8の底部よりも第1p+型領域4のドレイン側の端部に電界が集中しやすくなり、耐圧(耐電圧)が維持される。 The end on the drain side of the first p + -type region 4 only needs to be located on the drain side with respect to the bottom of the gate trench 8. For example, the end on the drain side of the second p + -type region 5 is located on the drain side. You may do it. FIG. 1 shows a case where the depth positions of the end portions on the drain side of the first and second p + type regions 4 and 5 are the same. Since the end of the first p + type region 4 on the drain side is located on the drain side of the bottom of the gate trench 8, the drain of the first p + type region 4 is more than the bottom of the gate trench 8 when the MOSFET is off. The electric field tends to concentrate on the end portion on the side, and the withstand voltage (withstand voltage) is maintained.

第1p+型領域4は、例えばエピタキシャル成長層(p+型炭化珪素層23)で構成される。第1p+型領域4の不純物濃度は、p型ベース領域3の不純物濃度よりも高い。第1p+型領域4の不純物濃度は、例えばp型ベース領域3の不純物濃度よりも1桁程度高い不純物濃度に設定され、エピタキシャル成長層で実現可能な不純物濃度の範囲内(例えば1×1018以下程度)で設定可能である。第1p+型領域4の不純物濃度をp型ベース領域3の不純物濃度よりも高くすることで、p型ベース領域3の不純物濃度によりゲート閾値電圧を調整することができる。 The first p + type region 4 is constituted by, for example, an epitaxial growth layer (p + type silicon carbide layer 23). The impurity concentration of the first p + -type region 4 is higher than the impurity concentration of the p-type base region 3. The impurity concentration of the first p + -type region 4 is set to an impurity concentration that is, for example, about an order of magnitude higher than the impurity concentration of the p-type base region 3, and is within the impurity concentration range that can be realized in the epitaxial growth layer (for example, 1 × 10 18 or less). Degree). By making the impurity concentration of the first p + -type region 4 higher than the impurity concentration of the p-type base region 3, the gate threshold voltage can be adjusted by the impurity concentration of the p-type base region 3.

具体的には、第1p+型領域4は、ソース電極13に対して正電圧がドレイン電極(第2電極)15に印加された状態で、ゲート電極11にゲート閾値電圧以上の電圧が印加されたときに、ゲート絶縁膜9とp型ベース領域3との境界からp型ベース領域3内に広がる多数キャリア(正孔)の空乏層の伸びを抑制する機能を有する。この正孔の空乏層(正孔が空乏化した領域)は、p型ベース領域3の、ゲートトレンチ8の側壁に沿った部分に形成されるチャネルである。ゲート電圧を印加していない熱平衡状態において、チャネルは、少数キャリア(電子)を少ししか含んでおらず、導電性が極めて低い状態になっている。 Specifically, in the first p + -type region 4, a voltage higher than the gate threshold voltage is applied to the gate electrode 11 with a positive voltage applied to the drain electrode (second electrode) 15 with respect to the source electrode 13. When this occurs, it has a function of suppressing the growth of a depletion layer of majority carriers (holes) spreading from the boundary between the gate insulating film 9 and the p-type base region 3 into the p-type base region 3. This hole depletion layer (region in which holes are depleted) is a channel formed in a portion of the p-type base region 3 along the side wall of the gate trench 8. In a thermal equilibrium state where no gate voltage is applied, the channel contains only a few minority carriers (electrons) and is in a very low conductivity state.

このチャネルは正のゲート電圧印加時にp型ベース領域3内に広がるが、その伸びは第1p+型領域4により抑制される。これにより、第1p+型領域4を設けない従来構造よりも、チャネルにかかる電界強度が強くなり、MOSゲートの半導体表面(p型ベース領域3のチャネル部分)の伝導帯下端がフェルミ準位に近づきやすいため、チャネル内の電子密度が上がりやすく、チャネルの導電性が高まりやすい(チャネルの極性がn型に反転しやすい)。したがって、p型ベース領域3の不純物濃度を低くしても、p型ベース領域3の不純物濃度で理論上得られるゲート閾値電圧でチャネルの極性をn型に反転させることができる。 This channel spreads in the p-type base region 3 when a positive gate voltage is applied, but its elongation is suppressed by the first p + -type region 4. As a result, the electric field strength applied to the channel is stronger than in the conventional structure in which the first p + -type region 4 is not provided, and the lower end of the conduction band on the semiconductor surface of the MOS gate (channel portion of the p-type base region 3) is at the Fermi level. Since it tends to approach, the electron density in the channel is likely to increase, and the conductivity of the channel is likely to increase (the polarity of the channel is easily reversed to n-type). Therefore, even if the impurity concentration of the p-type base region 3 is lowered, the polarity of the channel can be inverted to the n-type with the gate threshold voltage theoretically obtained with the impurity concentration of the p-type base region 3.

このように、ゲート閾値電圧は、p型ベース領域3の不純物濃度で適宜設定することができる。例えばp型ベース領域3の不純物濃度を低くしたとしても、上述したように第1p+型領域4により、かつ後述するように第2p+型領域5により、耐圧低下を防止することができる。このため、耐圧を維持したまま、上述したようにp型ベース領域3の不純物濃度を適宜設定して所定のゲート閾値電圧に設定可能である。具体的には、ゲート閾値電圧は、例えば、p型ベース領域3の不純物濃度と、第1p+型領域4の不純物濃度と、ゲートトレンチ8の側壁から第1p+型領域4までの幅w3と、ゲート絶縁膜の厚さと、で決定される。 Thus, the gate threshold voltage can be set as appropriate depending on the impurity concentration of the p-type base region 3. For example, even if the impurity concentration of the p-type base region 3 is lowered, the breakdown voltage can be prevented from being lowered by the first p + -type region 4 as described above and by the second p + -type region 5 as described later. For this reason, it is possible to set the impurity concentration of the p-type base region 3 appropriately as described above and to a predetermined gate threshold voltage while maintaining the breakdown voltage. Specifically, the gate threshold voltage includes, for example, the impurity concentration of the p-type base region 3, the impurity concentration of the first p + -type region 4, and the width w 3 from the sidewall of the gate trench 8 to the first p + -type region 4. And the thickness of the gate insulating film.

第2p+型領域5は、n-型ドリフト領域2の内部に設けられ、ゲートトレンチ8の底部全面を覆う。また、第2p+型領域5は、p型ベース領域3および第1p+型領域4と離して配置されている。第2p+型領域5は、部分的にp型ベース領域3に接していてもよい。第2p+型領域5は、例えばエピタキシャル成長層(p+型炭化珪素層23)で構成される。第2p+型領域5の不純物濃度は、p型ベース領域3の不純物濃度よりも高い。第2p+型領域5の不純物濃度は、例えば第1p+型領域4の不純物濃度と同程度に設定される。第2p+型領域5は、MOSFETのオフ時に、ゲートトレンチ8の底部にかかる電界を緩和させて、耐圧を維持する機能を有する。 The second p + type region 5 is provided inside the n type drift region 2 and covers the entire bottom surface of the gate trench 8. The second p + type region 5 is arranged apart from the p type base region 3 and the first p + type region 4. Second p + -type region 5 may partially contact p-type base region 3. The second p + type region 5 is formed of, for example, an epitaxial growth layer (p + type silicon carbide layer 23). The impurity concentration of the second p + -type region 5 is higher than the impurity concentration of the p-type base region 3. Impurity concentration of the 2p + -type region 5 is set, for example, to the same extent as the impurity concentration of the 1p + -type region 4. The second p + -type region 5 has a function of relaxing the electric field applied to the bottom of the gate trench 8 and maintaining the breakdown voltage when the MOSFET is turned off.

層間絶縁膜12は、活性領域からエッジ終端領域にわたって基板おもて面全面に設けられ、ゲート電極11を覆う。ソース電極13は、層間絶縁膜12に開口されたコンタクトホールを介してn+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7に接し、p型ベース領域3、第1p+型領域4、n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7と電気的に接続されている。ソース電極13は、層間絶縁膜12によりゲート電極11と電気的に絶縁されている。ソース電極13は、コンタクトホールの内部にのみ設けられていてもよい。 The interlayer insulating film 12 is provided on the entire surface of the substrate from the active region to the edge termination region, and covers the gate electrode 11. The source electrode 13 is in contact with the n + type source region 6 and the p ++ type contact region 7 through a contact hole opened in the interlayer insulating film 12, and is connected to the p type base region 3, the first p + type region 4, and the n + type. It is electrically connected to type source region 6 and p ++ type contact region 7. The source electrode 13 is electrically insulated from the gate electrode 11 by the interlayer insulating film 12. The source electrode 13 may be provided only inside the contact hole.

ソースパッド(電極パッド)14は、コンタクトホールの内部を埋め込むように、層間絶縁膜12およびソース電極13上に設けられている。ソースパッド14は、すべての単位セル20のソース電極13を電気的に接続する。炭化珪素基板10の裏面(n+型出発基板1の裏面)全体にわたって、ドレイン電極15が設けられている。ドレイン電極15の表面には、ドレインパッド(電極パッド)16が設けられている。 The source pad (electrode pad) 14 is provided on the interlayer insulating film 12 and the source electrode 13 so as to fill the inside of the contact hole. The source pad 14 electrically connects the source electrodes 13 of all the unit cells 20. A drain electrode 15 is provided over the entire back surface of silicon carbide substrate 10 (the back surface of n + -type starting substrate 1). A drain pad (electrode pad) 16 is provided on the surface of the drain electrode 15.

次に、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法について説明する。図2〜6は、実施の形態1にかかる半導体装置の製造途中の状態を示す断面図である。まず、n+型出発基板(出発ウエハ)1として、例えば窒素(N)などのn型不純物をドーピングしたn+型単結晶基板を用意する。n+型出発基板1のおもて面は、例えば(0001)面、いわゆるSi面であってもよい。次に、n+型出発基板1のおもて面に、例えば窒素などのn型不純物をドープしたn-型炭化珪素層21をエピタキシャル成長させる。n-型炭化珪素層21の厚さは、例えば10μmであってもよい。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment will be described. 2-6 is sectional drawing which shows the state in the middle of manufacture of the semiconductor device concerning Embodiment 1. FIGS. First, an n + type single crystal substrate doped with an n type impurity such as nitrogen (N) is prepared as an n + type starting substrate (starting wafer) 1. The front surface of the n + -type starting substrate 1 may be, for example, a (0001) plane, a so-called Si plane. Next, an n type silicon carbide layer 21 doped with an n type impurity such as nitrogen is epitaxially grown on the front surface of the n + type starting substrate 1. The thickness of n type silicon carbide layer 21 may be, for example, 10 μm.

次に、n-型炭化珪素層21の表面に、例えばアルミニウム(Al)などのp型不純物をドープしたp型炭化珪素層22をエピタキシャル成長させる。p型炭化珪素層22の厚さおよび不純物濃度は、それぞれ、例えば1.5μm程度および5×1015/cm3程度であってもよい。ここまでの状態が図2に示されている。 Next, a p-type silicon carbide layer 22 doped with a p-type impurity such as aluminum (Al) is epitaxially grown on the surface of the n -type silicon carbide layer 21. The thickness and impurity concentration of p-type silicon carbide layer 22 may be, for example, about 1.5 μm and about 5 × 10 15 / cm 3 , respectively. The state up to this point is shown in FIG.

次に、フォトリソグラフィ技術により、p型炭化珪素層22の表面に、ゲートトレンチ8および第1p+型領域4の形成領域に対応する部分を開口した図示省略するエッチング用マスクを形成する。このエッチング用マスクとして、例えば酸化膜(SiO2)マスクを用いてもよい。次に、このエッチング用マスクをマスクとしてエッチングを行い、p型炭化珪素層22を深さ方向に貫通してn-型炭化珪素層21に達する第1,2トレンチ31,32を形成する。このエッチングは、例えばドライエッチングであってもよい。n-型炭化珪素層21の、第1,2トレンチ31,32以外の部分がn-型ドリフト領域2となる。p型炭化珪素層22の、第1,2トレンチ31,32以外の部分がp型ベース領域3となる。 Next, an etching mask (not shown) having openings corresponding to the formation regions of the gate trench 8 and the first p + -type region 4 is formed on the surface of the p-type silicon carbide layer 22 by photolithography. As this etching mask, for example, an oxide film (SiO 2 ) mask may be used. Next, etching is performed using this etching mask as a mask to form first and second trenches 31 and 32 that penetrate p-type silicon carbide layer 22 in the depth direction and reach n -type silicon carbide layer 21. This etching may be, for example, dry etching. A portion of n type silicon carbide layer 21 other than first and second trenches 31 and 32 becomes n type drift region 2. A portion of the p-type silicon carbide layer 22 other than the first and second trenches 31 and 32 becomes the p-type base region 3.

これら第1,2トレンチ31,32は、基板おもて面に平行な方向(横方向)に交互に繰り返し、かつ互いに離して配置される。第1トレンチ31の幅w11は、ゲートトレンチ8の幅w1と同じであり、例えば1.5μm程度であってもよい。第2トレンチ32の幅w12は、第1p+型領域4の幅w2と同じであり、例えば0.5μm程度であってもよい。また、第1,2トレンチ31,32は、例えば側壁にm面が露出されるように形成される。m面とは、(000−1)面、いわゆるC面に垂直な{1−100}面の総称である。具体的には、m面とは、(10−10)面、(−1010)面、(1−100)面、(−1100)面、(01−10)面および(0−110)面である。そして、第1,2トレンチ31,32の形成に用いたエッチング用マスクを除去する。ここまでの状態が図3に示されている。 These first and second trenches 31 and 32 are alternately repeated in a direction (lateral direction) parallel to the front surface of the substrate, and are arranged apart from each other. The width w11 of the first trench 31 is the same as the width w1 of the gate trench 8, and may be about 1.5 μm, for example. The width w12 of the second trench 32 is the same as the width w2 of the first p + -type region 4, and may be, for example, about 0.5 μm. The first and second trenches 31 and 32 are formed, for example, such that the m-plane is exposed on the side wall. The m-plane is a general term for the (1-100) plane perpendicular to the (000-1) plane, the so-called C-plane. Specifically, the m-plane is a (10-10) plane, a (-1010) plane, a (1-100) plane, a (-1100) plane, a (01-10) plane, and a (0-110) plane. is there. Then, the etching mask used to form the first and second trenches 31 and 32 is removed. The state up to here is shown in FIG.

次に、p型炭化珪素層22の表面および第1トレンチ31の内壁に沿って、例えばアルミニウムなどのp型不純物をドープしたp+型炭化珪素層23をエピタキシャル成長させる。このとき、p+型炭化珪素層23の厚さt1を第2トレンチ32の幅w12の半分以上とすることで(w12/2≦t1)、第2トレンチ32の内部をp+型炭化珪素層23で完全に埋め込む。p+型炭化珪素層23の厚さt1および不純物濃度は、それぞれ、例えば0.3μm程度および5×1017/cm3程度であってもよい。ここまでの工程で、n+型出発基板1のおもて面上にn-型炭化珪素層21、p型炭化珪素層22およびp+型炭化珪素層23を順に積層した炭化珪素基板(半導体ウエハ)10が作製される。ここまでの状態が図4に示されている。 Next, along the surface of the p-type silicon carbide layer 22 and the inner wall of the first trench 31, a p + -type silicon carbide layer 23 doped with a p-type impurity such as aluminum is epitaxially grown. At this time, the thickness t1 of the p + -type silicon carbide layer 23 is set to be not less than half the width w12 of the second trench 32 (w12 / 2 ≦ t1), so that the inside of the second trench 32 is a p + -type silicon carbide layer. 23 completely embed. The thickness t1 and the impurity concentration of the p + type silicon carbide layer 23 may be about 0.3 μm and about 5 × 10 17 / cm 3 , respectively. The silicon carbide substrate (semiconductor) in which the n type silicon carbide layer 21, the p type silicon carbide layer 22, and the p + type silicon carbide layer 23 are sequentially laminated on the front surface of the n + type starting substrate 1 through the steps so far. Wafer) 10 is manufactured. The state up to this point is shown in FIG.

次に、炭化珪素の結晶面に依存して酸化速度が異なるという特長を利用して、p+型炭化珪素層23を選択的に酸化する。具体的には、例えばウェット酸化により、p+型炭化珪素層23の、第1トレンチ31の側壁(m面)の部分を完全に酸化する。p+型炭化珪素層23の、第2トレンチ32の内部に埋め込まれた部分はウェット酸化で用いる例えば水(H2O)を含む雰囲気(水蒸気)に曝されないため、酸化されない。p+型炭化珪素層23の、p型炭化珪素層22の表面上の部分および第1トレンチ31の底面上の部分は、結晶面(Si面)の酸化速度に応じて酸化されるが、炭化珪素においてはm面の酸化はSi面の酸化よりも高速に進むため、Si面上には酸化されていないp+型炭化珪素層23が残る。 Next, the p + -type silicon carbide layer 23 is selectively oxidized using the feature that the oxidation rate varies depending on the crystal plane of silicon carbide. Specifically, the side wall (m-plane) portion of the first trench 31 of the p + -type silicon carbide layer 23 is completely oxidized by wet oxidation, for example. The portion embedded in the second trench 32 of the p + -type silicon carbide layer 23 is not oxidized because it is not exposed to an atmosphere (water vapor) containing, for example, water (H 2 O) used in wet oxidation. The portion of the p + -type silicon carbide layer 23 on the surface of the p-type silicon carbide layer 22 and the portion on the bottom surface of the first trench 31 are oxidized according to the oxidation rate of the crystal plane (Si surface). In silicon, the m-plane oxidation proceeds faster than the Si-plane oxidation, so that an unoxidized p + -type silicon carbide layer 23 remains on the Si surface.

次に、例えばエッチングにより、p+型炭化珪素層23の酸化された部分(すなわち酸化膜)を除去する。これにより、p型炭化珪素層22の表面上、第1トレンチ31の底面上および第2トレンチ32の内部にのみp+型炭化珪素層23が残る。p+型炭化珪素層23の、第1トレンチ31の底面上に残る部分が第1p+型領域4である。p+型炭化珪素層23の、第1トレンチ31の底面上に残る部分が第2p+型領域5である。かつ、第1トレンチ31の側壁には、n-型ドリフト領域2およびp型ベース領域3が露出される。第2p+型領域5の表面がゲートトレンチ8の底面となり、第1トレンチ31の露出された側壁がゲートトレンチ8の側壁となる。 Next, the oxidized portion (namely, oxide film) of p + type silicon carbide layer 23 is removed by, for example, etching. Thereby, p + -type silicon carbide layer 23 remains only on the surface of p-type silicon carbide layer 22, on the bottom surface of first trench 31, and inside second trench 32. A portion of p + type silicon carbide layer 23 remaining on the bottom surface of first trench 31 is first p + type region 4. A portion of p + type silicon carbide layer 23 remaining on the bottom surface of first trench 31 is second p + type region 5. In addition, the n -type drift region 2 and the p-type base region 3 are exposed on the side wall of the first trench 31. The surface of the second p + -type region 5 becomes the bottom surface of the gate trench 8, and the exposed side wall of the first trench 31 becomes the side wall of the gate trench 8.

次に、フォトリソグラフィ技術により、炭化珪素基板10のおもて面(p+型炭化珪素層23の表面)上に、n+型ソース領域6の形成領域に対応する部分を開口した図示省略するイオン注入用マスクを形成する。第1トレンチ31の内部には、イオン注入用マスクが埋め込まれる。イオン注入用マスクとして、例えば酸化膜マスクを用いてもよい。次に、このイオン注入用マスクをマスクとして例えばリン(P)などのn型不純物をイオン注入する。このとき、このイオン注入のn型不純物のドーズ量をp+型炭化珪素層23のp型不純物濃度よりも高く設定し、p+型炭化珪素層23の一部の導電型をn型に打ち返す。イオン注入のn型不純物の注入深さは、p+型炭化珪素層23の、p型炭化珪素層22の表面上に残る部分の厚さt1以上の深さとする。これにより、p+型炭化珪素層23の、p型炭化珪素層22の表面上に残る部分に、n+型ソース領域6が選択的に形成される。そして、n+型ソース領域6の形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。 Next, a portion corresponding to the formation region of the n + type source region 6 is opened on the front surface of the silicon carbide substrate 10 (the surface of the p + type silicon carbide layer 23) by a photolithography technique. An ion implantation mask is formed. An ion implantation mask is embedded in the first trench 31. For example, an oxide film mask may be used as the ion implantation mask. Next, n-type impurities such as phosphorus (P) are ion-implanted using this ion implantation mask as a mask. At this time, countering dose of the n-type impurity in this ion implantation was set higher than the p-type impurity concentration of the p + -type silicon carbide layer 23, a portion of the conductivity type of the p + -type silicon carbide layer 23 to n-type . The n-type impurity implantation depth for ion implantation is set to a depth equal to or greater than the thickness t1 of the portion of the p + -type silicon carbide layer 23 remaining on the surface of the p-type silicon carbide layer 22. Thereby, n + type source region 6 is selectively formed in the portion of p + type silicon carbide layer 23 remaining on the surface of p type silicon carbide layer 22. Then, the ion implantation mask used to form the n + -type source region 6 is removed.

次に、フォトリソグラフィ技術により、炭化珪素基板10のおもて面(p+型炭化珪素層23の表面)上に、p++型コンタクト領域7の形成領域に対応する部分を開口した図示省略するイオン注入用マスクを形成する。第1トレンチ31の内部には、イオン注入用マスクが埋め込まれる。イオン注入用マスクとして、例えば酸化膜マスクを用いてもよい。次に、このイオン注入用マスクをマスクとして例えばアルミニウムなどのp型不純物をイオン注入する。このとき、イオン注入のp型不純物の注入深さは、p+型炭化珪素層23の、p型炭化珪素層22の表面上に残る部分の厚さt1以上の深さとする。p+型炭化珪素層23にさらにp型不純物がイオン注入されるため、p+型炭化珪素層23の一部のp型不純物濃度が高くなる。これにより、p+型炭化珪素層23の、p型炭化珪素層22の表面上に残る部分に、p++型コンタクト領域7が選択的に形成される。そして、p++型コンタクト領域7の形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7を形成する順序は入れ換え可能である。 Next, a portion corresponding to the region where the p ++ type contact region 7 is formed is opened on the front surface of the silicon carbide substrate 10 (the surface of the p + type silicon carbide layer 23) by photolithography. An ion implantation mask is formed. An ion implantation mask is embedded in the first trench 31. For example, an oxide film mask may be used as the ion implantation mask. Next, a p-type impurity such as aluminum is ion-implanted using the ion implantation mask as a mask. At this time, the implantation depth of the p-type impurity for ion implantation is set to a depth equal to or greater than the thickness t1 of the portion of the p + -type silicon carbide layer 23 remaining on the surface of the p-type silicon carbide layer 22. To further p-type impurity to the p + -type silicon carbide layer 23 is ion-implanted, part of the p-type impurity concentration of the p + -type silicon carbide layer 23 is increased. Thereby, p ++ type contact region 7 is selectively formed in a portion of p + type silicon carbide layer 23 remaining on the surface of p type silicon carbide layer 22. Then, the ion implantation mask used to form the p ++ type contact region 7 is removed. The order of forming the n + type source region 6 and the p ++ type contact region 7 can be interchanged.

次に、熱処理により、n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7を活性化させる(活性化アニール)。この熱処理は、例えば、温度を1700℃程度とし、熱処理時間を2分程度としてもよい。イオン注入を行うごとに、活性化アニールを行ってもよい。ここまでの状態が図5に示されている。 Next, the n + type source region 6 and the p ++ type contact region 7 are activated by heat treatment (activation annealing). In this heat treatment, for example, the temperature may be about 1700 ° C. and the heat treatment time may be about 2 minutes. Activation annealing may be performed every time ion implantation is performed. The state up to here is shown in FIG.

次に、炭化珪素基板10のおもて面(n+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7の表面)、および、ゲートトレンチ8の内壁(第2p+型領域5の表面および第1トレンチ31の側壁)に沿って、ゲート絶縁膜9を形成する。ゲート絶縁膜9は、例えば、酸素(O2)雰囲気中において1000℃程度の温度の熱処理による熱酸化によって形成されてもよい。また、ゲート絶縁膜9は、例えば、高温酸化(HTO:High Temperature Oxide)等の化学反応によって堆積した堆積酸化膜であってもよい。 Next, the front surface of silicon carbide substrate 10 (the surfaces of n + type source region 6 and p ++ type contact region 7) and the inner wall of gate trench 8 (the surface of second p + type region 5 and the first surface A gate insulating film 9 is formed along the side wall of the trench 31. For example, the gate insulating film 9 may be formed by thermal oxidation by heat treatment at a temperature of about 1000 ° C. in an oxygen (O 2 ) atmosphere. The gate insulating film 9 may be a deposited oxide film deposited by a chemical reaction such as high temperature oxidation (HTO).

次に、ゲート絶縁膜9上に、ゲートトレンチ8の内部に埋め込むように、例えばリンなどのn型不純物をドープした多結晶シリコン(poly−Si)層を堆積する。次に、フォトリソグラフィ技術により多結晶シリコン層をパターニングして、多結晶シリコン層のゲート電極11となる部分をゲートトレンチ8の内部に残す。ゲート電極11の一部がゲートトレンチ8の外側(上方)に突出していてもよい。   Next, a polycrystalline silicon (poly-Si) layer doped with an n-type impurity such as phosphorus is deposited on the gate insulating film 9 so as to be embedded in the gate trench 8. Next, the polycrystalline silicon layer is patterned by a photolithography technique, and a portion to be the gate electrode 11 of the polycrystalline silicon layer is left inside the gate trench 8. A part of the gate electrode 11 may protrude outward (upward) from the gate trench 8.

次に、ゲート絶縁膜9およびゲート電極11を覆うように層間絶縁膜12を形成する。層間絶縁膜12は、例えば、PSG(Phospho Silicate Glass)や、BPSG(Boro Phospho Silicate Glass)、あるいはそれらの組み合わせで形成される。層間絶縁膜12の、ゲート電極11上の部分の厚さt2は、例えば1μmであってもよい。   Next, an interlayer insulating film 12 is formed so as to cover the gate insulating film 9 and the gate electrode 11. The interlayer insulating film 12 is formed of, for example, PSG (Phospho Silicate Glass), BPSG (Boro Phospho Silicate Glass), or a combination thereof. The thickness t2 of the portion of the interlayer insulating film 12 on the gate electrode 11 may be 1 μm, for example.

次に、フォトリソグラフィ技術により層間絶縁膜12およびゲート絶縁膜9をパターニングしてコンタクトホールを形成し、コンタクトホールにn+型ソース領域6およびp++型コンタクト領域7を露出させる。次に、熱処理(リフロー)により、層間絶縁膜12を平坦化する。 Next, the interlayer insulating film 12 and the gate insulating film 9 are patterned by photolithography to form contact holes, and the n + -type source region 6 and the p ++ -type contact region 7 are exposed in the contact holes. Next, the interlayer insulating film 12 is planarized by heat treatment (reflow).

次に、例えばスパッタリングにより、層間絶縁膜12の表面およびコンタクトホールに沿ってソース電極13となる金属膜を形成する。ソース電極13となる金属膜は、例えばニッケル(Ni)膜であってもよい。次に、フォトリソグラフィおよびエッチングにより金属膜を選択的に除去して、例えばコンタクトホール内にのみソース電極13を残す。   Next, a metal film to be the source electrode 13 is formed along the surface of the interlayer insulating film 12 and the contact hole by sputtering, for example. The metal film that becomes the source electrode 13 may be a nickel (Ni) film, for example. Next, the metal film is selectively removed by photolithography and etching to leave the source electrode 13 only in the contact hole, for example.

次に、炭化珪素基板10の裏面(n+型出発基板1の裏面)に、ドレイン電極15となる例えばニッケル(Ni)膜を形成する。次に、熱処理により、炭化珪素基板10とその両面の金属膜とを反応させて、炭化珪素基板10にオーミック接触するソース電極13およびドレイン電極15を形成する。ここまでの状態が図6に示されている。 Next, for example, a nickel (Ni) film to be the drain electrode 15 is formed on the back surface of the silicon carbide substrate 10 (the back surface of the n + -type starting substrate 1). Next, the silicon carbide substrate 10 and the metal films on both sides thereof are reacted by heat treatment to form the source electrode 13 and the drain electrode 15 that are in ohmic contact with the silicon carbide substrate 10. The state up to this point is shown in FIG.

次に、例えばスパッタリングにより、ソース電極13および層間絶縁膜12を覆うように、ソースパッド14となる例えばアルミニウム膜を5μm程度の厚さに堆積する。次に、アルミニウム膜を選択的に除去して、ソースパッド14となる部分を残す。   Next, an aluminum film, for example, serving as the source pad 14 is deposited to a thickness of about 5 μm so as to cover the source electrode 13 and the interlayer insulating film 12 by, for example, sputtering. Next, the aluminum film is selectively removed to leave a portion that becomes the source pad 14.

ソースパッド14を形成するととともに、アルミニウム膜の一部を図示省略するゲートパッド(電極パッド)として残してもよい。ゲートパッドには、単位セル20の各ゲート電極11が電気的に接続される。   The source pad 14 may be formed and a part of the aluminum film may be left as a gate pad (electrode pad) (not shown). Each gate electrode 11 of the unit cell 20 is electrically connected to the gate pad.

次に、例えばスパッタリングにより、ドレイン電極15の表面に、例えばチタン(Ti)膜、ニッケル膜および金(Au)膜を順に積層してドレインパッド16を形成する。その後、半導体ウエハをダイシング(切断)してチップ状に個片化することで、図1に示すSiC−縦型MOSFETが完成する。   Next, a drain pad 16 is formed by sequentially laminating, for example, a titanium (Ti) film, a nickel film, and a gold (Au) film on the surface of the drain electrode 15 by sputtering, for example. Thereafter, the semiconductor wafer is diced (cut) into chips, thereby completing the SiC-vertical MOSFET shown in FIG.

以上、説明したように、実施の形態1にかかる半導体装置によれば、ゲートトレンチと離して、p型ベース領域を深さ方向に貫通する第1p+型領域を設けることで、正のゲート電圧印加時に、ゲート絶縁膜とp型ベース領域との境界からp型ベース領域内に広がる正孔の空乏層(チャネル)の伸びが抑制される。このため、例えばチャネル抵抗を低下させるためにp型ベース領域の不純物濃度を低くしたとしても、第1p+型領域を設けない従来構造よりもチャネルの極性が反転されやすく、p型ベース領域の不純物濃度で理論上得られるゲート閾値電圧でMOSFETをオン状態にすることができる。したがって、p型ベース領域の不純物濃度に依存する所定のゲート閾値電圧を適宜設定するとともに、オン抵抗を低減させることができる。 As described above, according to the semiconductor device according to the first embodiment, by providing the first p + -type region penetrating the p-type base region in the depth direction apart from the gate trench, the positive gate voltage At the time of application, the extension of the hole depletion layer (channel) extending from the boundary between the gate insulating film and the p-type base region into the p-type base region is suppressed. Therefore, for example, even if the impurity concentration of the p-type base region is lowered in order to reduce the channel resistance, the channel polarity is more easily reversed than in the conventional structure in which the first p + -type region is not provided, and the impurity in the p-type base region The MOSFET can be turned on with a gate threshold voltage that is theoretically obtained from the concentration. Therefore, a predetermined gate threshold voltage depending on the impurity concentration of the p-type base region can be set as appropriate, and the on-resistance can be reduced.

また、実施の形態1にかかる半導体装置によれば、ゲート閾値電圧を所定値(例えば5V程度)に設定するために、p型ベース領域の不純物濃度が低くなったとしても、第1p+型領域が設けられていることで、ベース領域の実効的な不純物濃度が高くなる。このため、短チャネル効果(劣化現象)によるパンチスルーや漏れ電流を防止し、耐圧低下を抑制することができる。また、実施の形態1にかかる半導体装置によれば、第1p+型領域のドレイン側の端部がゲートトレンチの底部よりもドレイン側に位置することや、ゲートトレンチの底部に第2p+型領域が設けられていることで、MOSFETのオフ時に、ゲートトレンチの底部での電界集中を抑制することができる。これにより、耐圧低下を防止することができる。 In addition, according to the semiconductor device according to the first embodiment, even if the impurity concentration of the p-type base region is lowered in order to set the gate threshold voltage to a predetermined value (for example, about 5 V), the first p + -type region As a result, the effective impurity concentration of the base region is increased. For this reason, punch-through and leakage current due to the short channel effect (deterioration phenomenon) can be prevented, and a decrease in breakdown voltage can be suppressed. Further, according to the semiconductor device of the first embodiment, the end of the first p + -type region on the drain side is located closer to the drain side than the bottom of the gate trench, or the second p + -type region is located at the bottom of the gate trench. Thus, it is possible to suppress electric field concentration at the bottom of the gate trench when the MOSFET is turned off. Thereby, a pressure | voltage resistant fall can be prevented.

また、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法によれば、ゲートトレンチ間の第1p+型領域と、ゲートトレンチ底部の第2p+型領域と、をエピタキシャル成長層で形成することができる。このため、イオン注入で形成する場合よりも、これらの第1,2p+型領域の不純物濃度分布を一様にすることができる。また、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法によれば、第2トレンチの内部にp+型エピタキシャル成長層を埋め込むことで第1p+型領域を形成するため、イオン注入で形成する場合よりも、第1p+型領域の幅を狭くすることができる。例えば、第1p+型領域の幅を1μm以下にすることができる。これにより、各セル幅を狭くすることができるため、電流能力の向上または半導体チップの小型化を図ることができる。 According to the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment, and the 1p + -type region between the gate trenches, and the 2p + -type region of the gate trench bottom, it can be formed by epitaxial growth layer. For this reason, the impurity concentration distribution of these first and second p + -type regions can be made uniform as compared with the case of forming by ion implantation. Further, according to the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment, the first p + type region is formed by embedding the p + type epitaxial growth layer in the second trench, so that it is more than the case of forming by ion implantation. The width of the first p + type region can be reduced. For example, the width of the first p + -type region can be 1 μm or less. Thereby, each cell width can be narrowed, so that the current capability can be improved or the semiconductor chip can be downsized.

また、仮に第1,2p+型領域をイオン注入で形成する場合、n-型ドリフト領域となるn-型炭化珪素層へのイオン注入により第1p+型領域の一部および第2p+型領域を形成する。次に、n-型炭化珪素層上にp型ベース領域となるp型炭化珪素層をエピタキシャル成長させて、当該p型炭化珪素層へのイオン注入により第1p+型領域の残りの部分を形成する。第1p+型領域の残りの部分の形成では、炭化珪素へのイオン注入深さに対してp型ベース領域が厚いため、p型炭化珪素層のエピタキシャル成長と、イオン注入と、を一組とする工程を少なくとも2回繰り返す。その後、ゲートトレンチを形成するためのエッチングを行う。このため、第1,2p+型領域およびゲートトレンチを形成するために、2回のp型炭化珪素層のエピタキシャル成長、3回のイオン注入、およびゲートトレンチの形成、の計6工程を要する。 Further, if the case where the first 1,2P + -type region is formed by ion implantation, n - -type a drift region n - part and the 2p + -type region of the 1p + -type region by ion implantation into type silicon carbide layer Form. Next, a p-type silicon carbide layer serving as a p-type base region is epitaxially grown on the n -type silicon carbide layer, and the remaining portion of the first p + -type region is formed by ion implantation into the p-type silicon carbide layer. . In the formation of the remaining portion of the first p + -type region, the p-type base region is thick with respect to the ion implantation depth into the silicon carbide, so that the epitaxial growth of the p-type silicon carbide layer and the ion implantation are combined. Repeat the process at least twice. Thereafter, etching for forming a gate trench is performed. For this reason, in order to form the first and second p + -type regions and the gate trench, a total of six steps of epitaxial growth of the p-type silicon carbide layer twice, ion implantation three times, and formation of the gate trench are required.

それに対して、実施の形態1にかかる半導体装置の製造方法によれば、イオン注入を用いずに、結晶性の高い第1,2p+型領域を容易に形成することができる。具体的には、p型ベース領域となるp型炭化珪素層のエピタキシャル成長、第1,2トレンチの形成、第1,2p+型領域となるp+型炭化珪素層のエピタキシャル成長、および、p+型炭化珪素層の一部を除去する工程を行う。このため、第1,2p+型領域をイオン注入で形成する場合よりも工程数を低減することができる。また、第2トレンチの幅を第1トレンチの幅よりも狭くし、かつ第1トレンチの側壁に基板おもて面よりも酸化速度の速い結晶面を露出させることで、高速酸化および酸化膜除去のみでp+型炭化珪素層の一部を除去することができ、第1,2トレンチ内の所定箇所にそれぞれ第2,1p+型領域となるp+型炭化珪素層を容易に残すことができる。 On the other hand, according to the manufacturing method of the semiconductor device according to the first embodiment, the first and second p + type regions having high crystallinity can be easily formed without using ion implantation. Specifically, epitaxial growth of p-type silicon carbide layer serving as the p-type base region, formed of the first and second trenches, the epitaxial growth of the p + -type silicon carbide layer serving as the first 1,2P + -type region, and, p + -type A step of removing a part of the silicon carbide layer is performed. For this reason, the number of steps can be reduced as compared with the case where the first and second p + -type regions are formed by ion implantation. Further, the width of the second trench is made narrower than the width of the first trench, and a crystal plane having a higher oxidation rate than the front surface of the substrate is exposed on the side wall of the first trench, whereby high-speed oxidation and oxide film removal are performed. only it can remove a portion of the p + -type silicon carbide layer, leaving the p + -type silicon carbide layer serving as the respective first 2,1P + -type region at a predetermined position of the first and second trench easily it can.

(実施の形態2)
次に、実施の形態2にかかる半導体装置の構造について説明する。図7は、実施の形態2にかかる半導体装置の構造を示す断面図である。実施の形態2にかかる半導体装置が実施の形態1にかかる半導体装置と異なる点は、n-型ドリフト領域2の内部において、第1p+型領域4の直下に、第2p+型領域5と離して第3p+型領域(第5半導体領域)41を設けた点である。
(Embodiment 2)
Next, the structure of the semiconductor device according to the second embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view illustrating the structure of the semiconductor device according to the second embodiment. The semiconductor device according to the second embodiment is different from the semiconductor device according to the first embodiment in that it is separated from the second p + type region 5 immediately below the first p + type region 4 inside the n type drift region 2. The third p + -type region (fifth semiconductor region) 41 is provided.

具体的には、第3p+型領域41は、第1p+型領域4の直下に設けられている。第3p+型領域41は、第1p+型領域4に接していることが好ましく、第1p+型領域4に接している部分が多いほどよい。より好適には、p+型領域41は、第1p+型領域4のドレイン側の端部を覆うことがよい。第3p+型領域41は、p型ベース領域3に接していてもよい。第3p+型領域41の、第1p+型領域4直下の部分の厚さt3は、例えば0.1μm以上1.0μm以下程度であってもよい。 Specifically, the third p + type region 41 is provided immediately below the first p + type region 4. The 3p + -type region 41 is preferably in contact with the first 1p + -type region 4, the better many parts in contact with the first 1p + -type region 4. More preferably, the p + type region 41 may cover the end of the first p + type region 4 on the drain side. The third p + type region 41 may be in contact with the p type base region 3. The thickness t3 of the portion immediately below the first p + type region 4 of the third p + type region 41 may be, for example, about 0.1 μm or more and 1.0 μm or less.

第1p+型領域4の直下に第3p+型領域41を設けることで、第2p+型領域5での耐圧が第1p+型領域4のドレイン側の端部での耐圧よりも高くなる。このため、第1p+型領域4のドレイン側の端部でアバランシェ降伏が発生しやすくなり、ゲートトレンチ8の底部におけるアバランシェ降伏の発生を抑制することができる。 By providing the third p + -type region 41 immediately below the first p + -type region 4, the breakdown voltage in the second p + -type region 5 is higher than the breakdown voltage at the end of the first p + -type region 4 on the drain side. For this reason, an avalanche breakdown is likely to occur at the end of the first p + -type region 4 on the drain side, and an avalanche breakdown at the bottom of the gate trench 8 can be suppressed.

また、第3p+型領域41のドレイン側の端部は、第2p+型領域5のドレイン側の端部よりもドレイン側に位置することが好ましい。これにより、MOSFETのオフ時に、第2p+型領域5への電界集中よりも第3p+型領域41への電界集中が強くなるため、ゲートトレンチ8の底部におけるアバランシェ降伏の発生をさらに抑制することができる。 Further, it is preferable that the drain-side end portion of the third p + -type region 41 is located closer to the drain side than the drain-side end portion of the second p + -type region 5. Thereby, when the MOSFET is turned off, the electric field concentration on the third p + -type region 41 becomes stronger than the electric field concentration on the second p + -type region 5, thereby further suppressing the occurrence of avalanche breakdown at the bottom of the gate trench 8. Can do.

また、第3p+型領域41の不純物濃度は、第1p+型領域4の不純物濃度よりも高いことが好ましい。これにより、第3p+型領域41とn-型ドリフト領域2との間のpn接合から第3p+型領域41内に広がる空乏層の伸びが抑制されるため、第1p+型領域4のドレイン側の端部の耐圧がさらに低くなる。このため、ゲートトレンチ8の底部におけるアバランシェ降伏の発生をさらに抑制することができる。 The impurity concentration of the third p + type region 41 is preferably higher than the impurity concentration of the first p + type region 4. This suppresses the extension of the depletion layer extending from the pn junction between the third p + type region 41 and the n type drift region 2 into the third p + type region 41, so that the drain of the first p + type region 4 The withstand pressure at the side end is further reduced. For this reason, generation | occurrence | production of the avalanche breakdown in the bottom part of the gate trench 8 can further be suppressed.

第3p+型領域41の幅w4は、第1p+型領域4の幅w2よりも広いことが好ましい(w4>w2)。その理由は、第1,3p+型領域4,41の形成時にマスクパターンの位置ずれが生じたとしても、第3p+型領域41により第1p+型領域4のドレイン側の端部を確実に覆うことができるからである。 The width w4 of the third p + -type region 41 is preferably wider than the width w2 of the first p + -type region 4 (w4> w2). This is because, even if the positional deviation of the mask pattern during the formation of the 1,3P + -type region 4, 41 occurs, the first 1p + -type region end of the drain side of the 4 reliably by the 3p + -type region 41 This is because it can be covered.

また、第3p+型領域41は、第1p+型領域4が直線状に延びる方向(図7の奥行き方向)に平行な直線状の平面レイアウトに例えば均一の厚さt3で配置される。すなわち、第3p+型領域41は、第1p+型領域4のドレイン側の端部全体を覆う。 The third p + -type region 41 is arranged, for example, with a uniform thickness t3 in a linear planar layout parallel to the direction in which the first p + -type region 4 extends linearly (the depth direction in FIG. 7). That is, the third p + type region 41 covers the entire end portion on the drain side of the first p + type region 4.

また、第3p+型領域41は、第1p+型領域4が直線状に延びる方向に、所定の間隔で複数点在して配置されてもよい。すなわち、第1p+型領域4のドレイン側の端部が第3p+型領域41に部分的に覆われた状態であってもよい。 Further, the third p + type regions 41 may be arranged in a plurality of points at predetermined intervals in the direction in which the first p + type regions 4 extend linearly. That is, the end of the first p + type region 4 on the drain side may be partially covered with the third p + type region 41.

次に、実施の形態2にかかる半導体装置の製造方法について説明する。まず、実施の形態1と同様に、n+型出発基板(出発ウエハ)1を用意し、n+型出発基板1のおもて面上にn-型炭化珪素層21をエピタキシャル成長させる。次に、フォトリソグラフィ技術により、n-型炭化珪素層21の表面に、第3p+型領域41の形成領域に対応する部分を開口した図示省略するイオン注入用マスクを形成する。イオン注入用マスクとして、例えば酸化膜マスクを用いてもよい。 Next, a method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment will be described. First, similarly to the first embodiment, an n + type starting substrate (starting wafer) 1 is prepared, and an n type silicon carbide layer 21 is epitaxially grown on the front surface of the n + type starting substrate 1. Next, an ion implantation mask (not shown) having an opening corresponding to the formation region of the third p + type region 41 is formed on the surface of the n type silicon carbide layer 21 by photolithography. For example, an oxide film mask may be used as the ion implantation mask.

次に、このイオン注入用マスクをマスクとして例えばアルミニウムなどのp型不純物をイオン注入する。このとき、イオン注入のp型不純物の注入深さは、後の工程で形成される第1トレンチ31の底部の位置よりも深くする。これにより、n-型炭化珪素層21の表面層に第3p+型領域41が選択的に形成される。このとき、第3p+型領域41の深さは、n-型炭化珪素層21の表面から例えば0.5μm程度であってもよい。そして、第3p+型領域41の形成に用いたイオン注入用マスクを除去する。 Next, a p-type impurity such as aluminum is ion-implanted using the ion implantation mask as a mask. At this time, the implantation depth of the p-type impurity for ion implantation is made deeper than the position of the bottom of the first trench 31 formed in a later step. Thereby, third p + -type region 41 is selectively formed in the surface layer of n -type silicon carbide layer 21. At this time, the depth of the third p + -type region 41 may be about 0.5 μm from the surface of the n -type silicon carbide layer 21, for example. Then, the ion implantation mask used to form the third p + -type region 41 is removed.

その後、実施の形態1と同様に、p型炭化珪素層22のエピタキシャル成長以降の工程を順に行う。このとき、第1,2トレンチ31,32(図3参照)の形成時においては、第2トレンチ32の底部が第3p+型領域41の内部に位置するように、第1,2トレンチ31,32を形成すればよい。p型炭化珪素層22を深さ方向に貫通して第3p+型領域41に達する第2トレンチ32を形成すればよい。これにより、図7に示すSiC−縦型MOSFETが完成する。 Thereafter, similarly to the first embodiment, the steps after epitaxial growth of p-type silicon carbide layer 22 are sequentially performed. At this time, when forming the first and second trenches 31 and 32 (see FIG. 3), the first and second trenches 31 and 32 are arranged so that the bottom of the second trench 32 is located inside the third p + -type region 41. 32 may be formed. The second trench 32 may be formed so as to penetrate the p-type silicon carbide layer 22 in the depth direction and reach the third p + -type region 41. Thereby, the SiC-vertical MOSFET shown in FIG. 7 is completed.

以上、説明したように、実施の形態2によれば、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。また、実施の形態2によれば、第1p+型領域のドレイン側の端部に離して第3p+型領域を設けることで、さらにゲートトレンチの底部の電界集中を緩和することができる。 As described above, according to the second embodiment, the same effect as in the first embodiment can be obtained. Further, according to the second embodiment, by providing the third p + -type region apart from the end of the first p + -type region on the drain side, it is possible to further reduce the electric field concentration at the bottom of the gate trench.

以上において本発明は、上述した各実施の形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、上述した各実施の形態にかかる製造方法では、炭化珪素基板のおもて面をSi面とした場合を例に説明しているが、第2p+型領域が形成される第1トレンチの側壁に、炭化珪素基板のおもて面よりも酸化速度の速い結晶面が露出されればよい。このため、例えば、炭化珪素基板のおもて面をm面とし、第1,2p+型領域が形成される第2,1トレンチの側壁をC面としてもよい。また、第1,2トレンチの幅が底部から開口側に向かうにしたがって広くなるように、第1,2トレンチの側壁が基板おもて面に対して斜度を有していてもよい。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, in the manufacturing method according to each of the above-described embodiments, the case where the front surface of the silicon carbide substrate is the Si surface has been described as an example, but the first trench in which the second p + type region is formed is described. It suffices if a crystal plane having a higher oxidation rate than the front surface of the silicon carbide substrate is exposed on the side wall. For this reason, for example, the front surface of the silicon carbide substrate may be the m-plane, and the sidewalls of the second and first trenches in which the first and second p + -type regions are formed may be the C-plane. Further, the side walls of the first and second trenches may have an inclination with respect to the front surface of the substrate so that the width of the first and second trenches becomes wider from the bottom toward the opening side.

また、上述した各実施の形態にかかる製造方法では、第2p+型領域となるp+型炭化珪素層の、第1トレンチの側壁の部分を他の部分より高速に酸化して除去する場合を例に説明したが、第2p+型領域となるp+型炭化珪素層の、第1トレンチの側壁の部分を選択的にエッチングすることで除去してもよい。この場合、炭化珪素基板のおもて面をC面としてもよい。上述した各実施の形態では、MOSFETを例に説明しているが、これに限らず、本発明は例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)などのMOS型半導体装置にも適用可能である。 In the manufacturing method according to each embodiment described above, of the 2p + -type region become p + -type silicon carbide layer, the case of removing by oxidizing the portion of the side wall of the first trench faster than other portions As described in the example, the p + type silicon carbide layer to be the second p + type region may be removed by selectively etching the side wall portion of the first trench. In this case, the front surface of the silicon carbide substrate may be a C surface. In each of the above-described embodiments, the MOSFET has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the present invention is also applicable to a MOS semiconductor device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). It is.

また、上述した各実施の形態では、ワイドバンドギャップ半導体として炭化珪素を用いた場合を例に説明しているが、炭化珪素以外の例えば窒化ガリウム(GaN)などのワイドバンドギャップ半導体にも適用可能である。また、本発明は、導電型(n型、p型)を反転させても同様に成り立つ。   In each of the above-described embodiments, the case where silicon carbide is used as the wide band gap semiconductor has been described as an example. However, it can be applied to a wide band gap semiconductor such as gallium nitride (GaN) other than silicon carbide. It is. Further, the present invention can be similarly realized even when the conductivity type (n-type, p-type) is inverted.

以上のように、本発明にかかる半導体装置および半導体装置の製造方法は、ワイドバンドギャップ半導体を用いたトレンチゲート構造の縦型のMOS型半導体装置に有用であり、特に炭化珪素層を用いた縦型MOSFETに適している。   As described above, the semiconductor device and the method for manufacturing the semiconductor device according to the present invention are useful for a vertical MOS semiconductor device having a trench gate structure using a wide band gap semiconductor, and in particular, a vertical MOS semiconductor device using a silicon carbide layer. Suitable for type MOSFET.

1 n+型出発基板
2 n-型ドリフト領域
3 p型ベース領域
4 第1p+型領域(ゲートトレンチ間のp+型領域)
5 第2p+型領域(ゲートトレンチ底部のp+型領域)
41 第3p+型領域(第1p+型領域のドレイン側端部を覆うp+型領域)
6 n+型ソース領域
7 p++型コンタクト領域
8 ゲートトレンチ
9 ゲート絶縁膜
10 炭化珪素基板
11 ゲート電極
12 層間絶縁膜
13 ソース電極
14 ソースパッド
15 ドレイン電極
16 ドレインパッド
20 単位セル
21〜23 炭化珪素層(エピタキシャル成長層)
31,32 トレンチ
w1 ゲートトレンチの幅
w2 第1p+型領域の幅
w3 ゲートトレンチの側壁から第1p+型領域までの幅
w4 第3p+型領域の幅
w11,12 トレンチの幅
1 n + type starting substrate 2 n type drift region 3 p type base region 4 1st p + type region (p + type region between gate trenches)
5 Second p + type region (p + type region at the bottom of the gate trench)
41 3rd p + type region (p + type region covering the drain side end of the first p + type region)
6 n + type source region 7 p ++ type contact region 8 gate trench 9 gate insulating film 10 silicon carbide substrate 11 gate electrode 12 interlayer insulating film 13 source electrode 14 source pad 15 drain electrode 16 drain pad 20 unit cell 21 to 23 carbonization Silicon layer (epitaxial growth layer)
31, 32 Trench w1 Width of gate trench w2 Width of first p + type region w3 Width from sidewall of gate trench to first p + type region w4 Width of third p + type region w11, 12 Width of trench

Claims (22)

シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板と、
前記半導体基板のおもて面に設けられた第1導電型の第1半導体層と、
前記第1半導体層の、前記半導体基板側に対して反対側の表面に設けられた第2導電型の第2半導体層と、
前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた第1導電型の第1半導体領域と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達するトレンチと、
前記トレンチの内部にゲート絶縁膜を介して設けられたゲート電極と、
前記トレンチと離して設けられ、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第2半導体領域と、
前記第1半導体層の内部に、前記第2半導体層および前記第2半導体領域と離して設けられ、前記トレンチの底部を覆う、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第3半導体領域と、
前記第1半導体領域および前記第2半導体層に電気的に接続された第1電極と、
前記半導体基板の裏面に設けられた第2電極と、
を備えることを特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon;
A first semiconductor layer of a first conductivity type provided on the front surface of the semiconductor substrate;
A second semiconductor layer of a second conductivity type provided on the surface of the first semiconductor layer opposite to the semiconductor substrate side;
A first semiconductor region of a first conductivity type selectively provided in the second semiconductor layer;
A trench that penetrates through the first semiconductor region and the second semiconductor layer in a depth direction and reaches the first semiconductor layer;
A gate electrode provided inside the trench via a gate insulating film;
A second conductivity type second semiconductor region which is provided apart from the trench and penetrates the second semiconductor layer in the depth direction to reach the first semiconductor layer and has a higher impurity concentration than the second semiconductor layer; ,
A second conductivity type second impurity layer having a higher impurity concentration than the second semiconductor layer, which is provided inside the first semiconductor layer and is separated from the second semiconductor layer and the second semiconductor region and covers the bottom of the trench. 3 semiconductor regions;
A first electrode electrically connected to the first semiconductor region and the second semiconductor layer;
A second electrode provided on the back surface of the semiconductor substrate;
A semiconductor device comprising:
前記第2半導体領域の幅は、前記トレンチの幅よりも狭いことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein a width of the second semiconductor region is narrower than a width of the trench. 前記第2半導体領域の前記第2電極側の端部は、前記トレンチの底部よりも前記第2電極側に位置することを特徴とする請求項1または2に記載の半導体装置。   3. The semiconductor device according to claim 1, wherein an end of the second semiconductor region on the second electrode side is located closer to the second electrode than a bottom of the trench. 前記第2半導体層の内部に選択的に設けられた、前記第2半導体領域よりも不純物濃度の高い第2導電型の第4半導体領域をさらに備え、
前記第1電極は、前記第1半導体領域および前記第4半導体領域に接し、
前記第2半導体領域は、前記第4半導体領域の前記第2電極側に設けられ、前記第4半導体領域に接することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一つに記載の半導体装置。
A fourth semiconductor region of a second conductivity type selectively provided inside the second semiconductor layer and having a higher impurity concentration than the second semiconductor region;
The first electrode is in contact with the first semiconductor region and the fourth semiconductor region,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor region is provided on the second electrode side of the fourth semiconductor region and is in contact with the fourth semiconductor region.
前記第1半導体層の内部において、前記第2半導体領域の前記第2電極側に設けられた第2導電型の第5半導体領域をさらに備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載の半導体装置。   5. The semiconductor device according to claim 1, further comprising a fifth semiconductor region of a second conductivity type provided on the second electrode side of the second semiconductor region inside the first semiconductor layer. The semiconductor device described in one. 前記第5半導体領域の幅は、前記第2半導体領域の幅よりも広いことを特徴とする請求項5に記載の半導体装置。   6. The semiconductor device according to claim 5, wherein the width of the fifth semiconductor region is wider than the width of the second semiconductor region. 前記第5半導体領域は、前記第2半導体領域の前記第2電極側の端部を覆うことを特徴とする請求項5または6に記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein the fifth semiconductor region covers an end portion of the second semiconductor region on the second electrode side. 前記トレンチは、前記半導体基板のおもて面に平行に延びる直線状のレイアウトに設けられ、
前記第2半導体領域および前記第5半導体領域は、前記トレンチが直線状に延びる方向に平行な直線状のレイアウトに設けられていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。
The trench is provided in a linear layout extending parallel to the front surface of the semiconductor substrate,
The said 2nd semiconductor region and the said 5th semiconductor region are provided in the linear layout parallel to the direction where the said trench extends linearly, The Claim 5 characterized by the above-mentioned. Semiconductor device.
前記トレンチは、前記半導体基板のおもて面に平行に延びる直線状のレイアウトに設けられ、
前記第2半導体領域は、前記トレンチが直線状に延びる方向に平行な直線状のレイアウトに設けられ、
前記第5半導体領域は、前記第2半導体領域が直線状に延びる方向に所定の間隔で複数配置されていることを特徴とする請求項5〜7のいずれか一つに記載の半導体装置。
The trench is provided in a linear layout extending parallel to the front surface of the semiconductor substrate,
The second semiconductor region is provided in a linear layout parallel to a direction in which the trench extends linearly,
The semiconductor device according to claim 5, wherein a plurality of the fifth semiconductor regions are arranged at a predetermined interval in a direction in which the second semiconductor regions extend linearly.
前記第5半導体領域の不純物濃度は、前記第2半導体領域の不純物濃度よりも高いことを特徴とする請求項5〜9のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 5, wherein an impurity concentration of the fifth semiconductor region is higher than an impurity concentration of the second semiconductor region. 前記第2半導体領域は、エピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the second semiconductor region is an epitaxial growth layer. 前記第3半導体領域は、エピタキシャル成長層であることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the third semiconductor region is an epitaxial growth layer. シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は炭化珪素であることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一つに記載の半導体装置。   The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide. 前記第2半導体層の、前記第1半導体層側に対して反対側の面は(0001)面であり、
前記トレンチの側壁は{1−100}面であることを特徴とする請求項1〜13のいずれか一つに記載の半導体装置。
The surface of the second semiconductor layer opposite to the first semiconductor layer side is a (0001) plane,
The semiconductor device according to claim 1, wherein a side wall of the trench is a {1-100} plane.
前記第2半導体層は、最も不純物濃度の高い位置から深さ方向に高低差をもつガウス分布状の第2導電型不純物濃度プロファイルを有することを特徴とする請求項1〜14のいずれか一つに記載の半導体装置。   15. The second semiconductor layer according to claim 1, wherein the second semiconductor layer has a second conductivity type impurity concentration profile having a Gaussian distribution having a height difference in a depth direction from a position having the highest impurity concentration. A semiconductor device according to 1. シリコンよりもバンドギャップの広い半導体からなる半導体基板のおもて面に、第1導電型の第1半導体層をエピタキシャル成長させる第1工程と、
前記第1半導体層の上に、第2導電型の第2半導体層をエピタキシャル成長させる第2工程と、
前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する第1トレンチと、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第1半導体層に達する、前記第1トレンチよりも幅の狭い第2トレンチと、を互いに離して形成する第3工程と、
前記第2半導体層の表面および前記第1トレンチの内壁に沿って、前記第2半導体層よりも不純物濃度の高い第2導電型の第3半導体層をエピタキシャル成長させるとともに、前記第2トレンチの内部を前記第3半導体層で完全に埋める第4工程と、
前記第3半導体層の、前記第1トレンチの側壁の部分を除去して、前記第1トレンチの側壁に前記第1半導体層および前記第2半導体層を露出させる第5工程と、
隣り合う前記第1トレンチ間に残る前記第3半導体層に、前記第1トレンチの側壁に露出し、かつ前記第2半導体層に達する第1導電型の第1半導体領域を選択的に形成する第6工程と、
前記第1トレンチの底部に残る前記第3半導体層の表面および前記第1トレンチの側壁に沿ってゲート絶縁膜を形成する第7工程と、
前記第1トレンチの内部において、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する第8工程と、
前記第1半導体領域および前記第3半導体層に電気的に接続する第1電極を形成する第9工程と、
前記半導体基板の裏面に第2電極を形成する第10工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A first step of epitaxially growing a first semiconductor layer of a first conductivity type on a front surface of a semiconductor substrate made of a semiconductor having a wider band gap than silicon;
A second step of epitaxially growing a second semiconductor layer of a second conductivity type on the first semiconductor layer;
A first trench penetrating the second semiconductor layer in the depth direction and reaching the first semiconductor layer; and a first trench penetrating the second semiconductor layer in the depth direction and reaching the first semiconductor layer. A third step of forming the second trench having a narrower width apart from each other;
A second conductivity type third semiconductor layer having an impurity concentration higher than that of the second semiconductor layer is epitaxially grown along the surface of the second semiconductor layer and the inner wall of the first trench, and the inside of the second trench is formed. A fourth step of completely filling with the third semiconductor layer;
A fifth step of removing a portion of the sidewall of the first trench of the third semiconductor layer to expose the first semiconductor layer and the second semiconductor layer on the sidewall of the first trench;
A first semiconductor region of a first conductivity type that is exposed on a sidewall of the first trench and reaches the second semiconductor layer is selectively formed in the third semiconductor layer remaining between the adjacent first trenches. 6 steps,
A seventh step of forming a gate insulating film along the surface of the third semiconductor layer remaining at the bottom of the first trench and the side wall of the first trench;
An eighth step of forming a gate electrode on the gate insulating film inside the first trench;
A ninth step of forming a first electrode electrically connected to the first semiconductor region and the third semiconductor layer;
A tenth step of forming a second electrode on the back surface of the semiconductor substrate;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3工程では、前記半導体基板のおもて面よりも酸化速度の早い結晶面を側壁とする前記第1トレンチを形成し、
前記第5工程では、前記第3半導体層の、前記第1トレンチの側壁の部分を酸化して酸化膜を形成し、当該酸化膜を除去することで前記第1トレンチの側壁に前記第1半導体層および前記第2半導体層を露出させることを特徴とする請求項16に記載の半導体装置の製造方法。
In the third step, the first trench having a crystal plane whose oxidation rate is faster than a front surface of the semiconductor substrate as a side wall is formed,
In the fifth step, an oxide film is formed by oxidizing a portion of the third semiconductor layer on the side wall of the first trench, and the oxide film is removed to remove the oxide film on the side wall of the first trench. 17. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein the layer and the second semiconductor layer are exposed.
(0001)面をおもて面とする前記半導体基板を用い、
前記第3工程では、{1−100}面を側壁とする前記第1トレンチを形成することを特徴とする請求項17に記載の半導体装置の製造方法。
Using the semiconductor substrate having a (0001) plane as a front surface,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 17, wherein in the third step, the first trench having a {1-100} plane as a side wall is formed.
前記第5工程の後、前記第7工程の前に、隣り合う前記第1トレンチ間に残る前記第3半導体層に、前記第2半導体層に達する、第2導電型の第4半導体領域を選択的に形成する第11工程をさらに含み、
前記第11工程では、前記第3半導体層の、前記第2トレンチに深さ方向に対向する位置に前記第4半導体領域を形成し、
前記第9工程では、前記第1半導体領域および前記第4半導体領域に接する前記第1電極を形成することを特徴とする請求項16〜18のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
After the fifth step, before the seventh step, a fourth semiconductor region of the second conductivity type that reaches the second semiconductor layer is selected as the third semiconductor layer remaining between the adjacent first trenches An eleventh step of automatically forming,
In the eleventh step, the fourth semiconductor region is formed in the third semiconductor layer at a position facing the second trench in the depth direction,
The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 16, wherein in the ninth step, the first electrode in contact with the first semiconductor region and the fourth semiconductor region is formed.
前記第1工程の後、前記第2工程の前に、前記第1半導体層の表面層に、第2導電型の第5半導体領域を選択的に形成する第12工程をさらに含み、
前記第3工程では、前記第2半導体層を深さ方向に貫通して前記第5半導体領域に達する前記第2トレンチを形成することを特徴とする請求項16〜19のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
After the first step, before the second step, further includes a twelfth step of selectively forming a second conductive type fifth semiconductor region on the surface layer of the first semiconductor layer,
20. The second trench according to claim 16, wherein, in the third step, the second trench reaching the fifth semiconductor region through the second semiconductor layer in the depth direction is formed. Semiconductor device manufacturing method.
前記第5半導体領域の幅は、前記第2トレンチの幅よりも広いことを特徴とする請求項20に記載の半導体装置の製造方法。   21. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 20, wherein the width of the fifth semiconductor region is wider than the width of the second trench. シリコンよりもバンドギャップの広い半導体は炭化珪素であることを特徴とする請求項16〜21のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。   The semiconductor device manufacturing method according to any one of claims 16 to 21, wherein the semiconductor having a wider band gap than silicon is silicon carbide.
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